高海拔超深井原巖溫度變化分析

陳文濤，吳春平，魏丁一，徐海月，杜翠鳳，劉 鵬

(1.武漢理工大學(xué)安全科學(xué)與應(yīng)急管理學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.中國職業(yè)安全健康協(xié)會，北京 100011；3.北京城市系統(tǒng)工程研究中心，北京 100035；4.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；5.國家金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心，北京 102628；6.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院, 北京 100083)

隨著當(dāng)前云南某地下鉛鋅礦開采深度的進(jìn)一步加大，深部熱害變得越來越嚴(yán)重，而巖溫是影響采場熱環(huán)境的主要熱源[1]，許多專家對此進(jìn)行了相關(guān)研究。趙小稚等[1]和張瑞明等[2]根據(jù)熱傳導(dǎo)理論分析，采用淺孔測溫法合理可行，測得曹家洼金礦巖溫隨深度變化的規(guī)律及巖溫對井下風(fēng)流溫度升高的作用。劉凱等[3]采用深孔測量法測定不同深度的圍巖溫度，得到巷道風(fēng)溫、水溫均隨開采深度的增加而增大，地溫梯度為1.8 ℃/hm，調(diào)熱圈半徑為17～18 m。為井下作業(yè)場所的熱環(huán)境狀況的有效控制及熱害防治提供數(shù)據(jù)。張小磊等[4]和蔣亞偉等[5]采用熱電偶淺孔測溫法對城郊煤礦原巖溫度進(jìn)行了測試，結(jié)果為礦井熱源分析、井下風(fēng)流溫度預(yù)測及降溫措施制定提供重要依據(jù)。趙文彬等[6]為掌握深部礦井地溫分布規(guī)律，對某深部礦井-505～-1 030 m水平的原巖溫度測定，得到地溫梯度隨采深增加成規(guī)律性變化，回歸預(yù)測分析表明隨埋深的增加，原巖溫度-1 600 m時(shí)可達(dá)39.455 ℃，熱害問題將愈發(fā)凸出。

對大部分礦井來說，地溫是形成礦井熱害的主要原因，而地溫對井下環(huán)境的影響主要是通過圍巖散熱的形式表現(xiàn)出來的[7-8]。地面以下巖層溫度的變化規(guī)律：自上而下，巖層劃分為變溫帶、恒溫帶和增溫帶，其中，恒溫帶以下的巖石溫度隨深度增加而增加，當(dāng)采掘作業(yè)將巖石暴露出來以后，巖石中釋放出熱。但當(dāng)前對于高海拔超深井的地溫梯度研究較少，本文對于該礦超深井的原巖溫度進(jìn)行研究。

1 計(jì)算方法

對流換熱系數(shù)是表示對流放熱過程強(qiáng)度的物理量，在數(shù)值上等于單位面積單位時(shí)間內(nèi)在1 ℃溫差作用下，由于對流作用所傳遞的熱量。

圍巖與風(fēng)流的對流換熱系數(shù)[9]計(jì)算見式(1)。

(1)

式中：α為對流換熱系數(shù);ε為粗糙度系數(shù)，對于光滑壁面ε=1，對于運(yùn)輸大巷ε=1.0～1.65，對于平巷ε=1.65～2.5，對于工作面ε=2.5～3.1；λa為空氣的熱導(dǎo)率，kW/(m·℃)，當(dāng)溫度為20 ℃時(shí)，空氣密度為1.164 kg/m3，λa=2.524×10-5kW/(m·℃)；v為巷道風(fēng)速，m/s；μ為空氣運(yùn)動(dòng)黏度系數(shù)，m2/s，當(dāng)溫度為20 ℃時(shí)，取1.57×10-5m2/s；d為巷道水力直徑，m。

不穩(wěn)定換熱系數(shù)在數(shù)值上等于巷道圍巖與巷道內(nèi)風(fēng)流之間溫差為1 ℃時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)從1 m2巷道壁面上向空氣放出的熱量。它是巷道圍巖的熱物理性質(zhì)、巷道形狀尺寸、通風(fēng)強(qiáng)度及通風(fēng)時(shí)間等的函數(shù)。

圍巖與風(fēng)流的不穩(wěn)定換熱系數(shù)[9]計(jì)算見式(2)。

(2)

式中：Kτ為不穩(wěn)定換熱系數(shù);λ為巖石的熱導(dǎo)率，kW/(m·℃)；a為巖石的熱擴(kuò)散率，m2/s；τ為巷道通風(fēng)時(shí)間，s；b為巷道通風(fēng)時(shí)間系數(shù)，當(dāng)τ<1 a時(shí)，b=0.27，當(dāng)τ>1 a時(shí)，b=4.0；α為巖壁與空氣的對流換熱系數(shù)，kW/(m2·℃)；r0為巷道水力半徑，水力半徑是輸水?dāng)嗝娴倪^流面積與輸水?dāng)嗝婧退w接觸的邊長(濕周)之比，m。

根據(jù)牛頓冷卻定律，圍巖與風(fēng)流的熱交換量[10]計(jì)算見式(3)。

Qr=KτUL(tr-t)

(3)

式中：Qr為熱交換量;U為巷道周長，m；L為巷道長度，m；tr為巷道始末兩端平均原巖溫度，℃；t為流經(jīng)巷道始末端風(fēng)流平均氣溫，℃。

2 數(shù)據(jù)測量

在該礦1 404 m水平、1 344 m水平、1 274 m水平以及924 m水平處進(jìn)行原巖溫度測定，選用淺孔測溫法來進(jìn)行測量。

1) 在待測中段選擇新掘進(jìn)迎頭附近兩幫的新鮮巖面作為測溫地點(diǎn)，在兩個(gè)循環(huán)內(nèi)，在迎頭附近兩幫的新鮮巖面打4個(gè)鉆孔(分兩次，第一個(gè)循環(huán)結(jié)束后在迎頭附近兩幫的新鮮巖面各打1個(gè)鉆孔；第二個(gè)循環(huán)結(jié)束后在迎頭附近兩幫的新鮮巖面再各打1個(gè)鉆孔)，孔深1.5～2 m，鉆孔垂直巷道壁面，傾角水平或微上傾。

2) 鉆孔結(jié)束后，將孔內(nèi)雜物清理干凈。將測溫探頭及數(shù)據(jù)記錄儀用鐵絲送入孔內(nèi)，探頭距離孔底5 cm以內(nèi)，先用塑料袋將記錄儀包裹，以防由于爆破振動(dòng)和裂隙水致使儀器損壞，再用黃泥進(jìn)行封孔。

3) 間隔72 h后用鐵絲將溫度記錄儀取出，并將數(shù)據(jù)按標(biāo)簽整理好。測得的原巖溫度和氣流溫度見表1。測量水平的主要圍巖類型及相關(guān)巖石性質(zhì)見表2。

3 數(shù)據(jù)分析

由表2可知，同一水平兩孔淺部溫度差別較大，受外部風(fēng)溫影響大，孔深部的巖溫由于調(diào)熱圈的逐漸平衡趨于穩(wěn)定，因此穩(wěn)定下來的溫度就是原巖溫度。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際測量數(shù)據(jù)，可計(jì)算出深部各水平的平均原巖溫度、斷面面積和周長等數(shù)據(jù)，見表3。

根據(jù)該礦地質(zhì)情況，確定各水平的圍巖類型和穿脈長度，并利用式(2)計(jì)算得到不同水平圍巖的不穩(wěn)定換熱系數(shù)，最終得到深部主要水平圍巖的對流換熱系數(shù)及圍巖的放熱量，見表4。

表1 深部原巖溫度測量數(shù)據(jù)Table 1 Temperature measurement data of deep original rock mass

表2 圍巖類型及相關(guān)巖石性質(zhì)Table 2 Surrounding rock types and related rock properties

表3 深部主要水平計(jì)算數(shù)據(jù)表Table 3 Calculation data in deep main levels

表4 深部主要水平圍巖放熱量表Table 4 Rock mass heat release in deep main levels

圖1 各水平原巖溫度、對流換熱系數(shù)Fig.1 Temperature and convective heat transfer coefficient of each source

原巖溫度、對流換熱系數(shù)隨采深變化及原巖放熱量如圖1所示。由圖1可知，1 274 m及以上水平原巖處于吸熱狀態(tài)，且隨著開采深度的增加，該礦原巖溫度呈線性升高，巷道巖壁與巷內(nèi)空氣的對流換熱系數(shù)也呈上升趨勢。其中，1 274 m水平雖然掘進(jìn)規(guī)模較大，但由于該水平原巖溫度與氣溫相差不大，故其吸熱量相對較小，為20.720 kW。924 m水平原巖溫度由于受采動(dòng)影響較小，因此更接近原始原巖結(jié)構(gòu)，溫度較高，屬于放熱源，但掘進(jìn)規(guī)模較小，作為熱源放熱量為3.986 kW。

4 結(jié) 論

1) 由于該礦受高海拔的地理位置及巖體裂隙水的影響，1 274 m及上部水平的原巖處于吸熱狀態(tài)，且該礦原巖溫度隨采深的增加呈線性升高，對流換熱系數(shù)也隨之上升。

2) 1 274 m水平原巖溫度與氣溫相差不大，故吸熱量較小，924 m水平受采動(dòng)影響較小，因此更接近原始圍巖結(jié)構(gòu)，屬于放熱源。在后續(xù)深部開采過程中應(yīng)注意進(jìn)一步控制熱害，為類似礦井深部熱害治理和原巖溫度測量提供依據(jù)。